CN101546003B - 一种光栅结构彩色滤光片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光栅结构彩色滤光片，主要由基板、黑色矩阵、彩色滤光层、保护膜和ITO导电膜组成，其特征在于：在所述基板上覆盖有介质膜层，该介质膜材料的折射率大于1.65，所述彩色滤光层为亚微米埋入式光栅结构，光栅由金属层和低折射率介质层构成，所述金属层位于近基板侧，所述低折射率介质层位于远离基板侧，介质材料的折射率小于1.65；通过不同的光栅结构参数获得不同颜色的光栅单元。本发明基于亚微米埋入式金属光栅结构，其TE、TM偏振光下的透射光谱特性相同，光能利用率高，输出光的纯度高，能进行超大幅面的制造。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学器件，具体涉及一种彩色滤光片(Color Filter，CF)，可用于液晶平面显示器，属于全息光学、衍射光学和背光显示领域。
背景技术
彩色滤光片(Color filter)是液晶平面显示器(Liquid Crystal Display)彩色化的关键零部件。液晶平面显示器为非主动发光元件，它是通过内部的背光模组(穿透型LCD)或外部的环境入射光(反射型或半穿透型LCD)提供光源，搭配驱动IC(Drive IC)与液晶(Liquid Crystal)控制形成灰阶显示(Gray Scale)，再透过彩色滤光片的R、G、B彩色层提供色相(Chromacity)，形成彩色显示画面。彩色滤光片的结构及导光性能的优劣对LCD的画面质量、光能利用率有举足轻重的影响；同时随着LCD液晶面板向大幅面、低能耗方向发展的趋势，作为彩色液晶显示重要组成部分的彩色滤光片也需向大幅面、高光能利用率的方向发展，为满足大幅面彩色滤光片的快速生产，新型彩色滤光片的设计成为必要。
彩色滤光片常用的制作方法包括染色法、印刷法、电着法、颜料分散法等。这些方法在制作大幅面彩色滤光片时，存在工艺步骤多、色度不高、生产成本高的缺陷。因此新型的彩色滤光片研制十分必要。
由于光栅在大面积快速复制技术方面的优越性，目前基于光栅结构的彩色滤光片的研制成为发展趋势，可见的报道包括：
(1)Y.Kanamori，M.Shimono，K.Hane.在文献Fabrication of transmission colorfilters using silicon subwavelength gratings on quartz substrate[J].IEEE PhotonicsTechnology Letters，2006，18(20)：2126～2128中公开了一种基于光栅结构的彩色滤光片，利用石英作为彩色滤光片基底，硅和空气组成光栅区，通过改变光栅周期级硅在光栅中的占空比获得三原色透射光谱。其设计缺陷在于不同颜色的透射光的利用的入射光的偏振状态不同，红光、绿光利用TM偏振光，蓝光利用TE偏振光，导致光能利用率不高。
(2)在文献H.Lee，Y.Yoon，S.Lee，et.al.Color filter based on a subwavelengthpatterned metal grating[J].Optics Express，2007，23(15)：15457～15463中公开了利用二维金属Al光栅表面覆盖一层介质层的光栅结构设计彩色滤光片，其缺点在于其透射光谱带宽大于150nm，影响彩色滤光片的色度。
(3)在文献Y.Yoon，H.Lee，S.Lee，et.al.Color filter incorporating a subwavelengthpatterned grating in poly silicon[J].Optics Express，2008，4(16)：2374～2380中公开了一种彩色滤光片，采用石英作为基底，宽度相同的多晶硅光栅和二氧化硅层叠，与空气组成光栅区，其缺点在于光谱透射率低。
可见，随着市场应用的不断深入，彩色滤光片向大幅面、高光能利用率方面发展，基于光栅结构的彩色滤光片的研制成为热点，而目前发表的基于光栅结构的彩色滤光片性能有待进一步提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种彩色滤光片，通过结构改进提高光能利用率，便于制作大幅面的彩色滤光片。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种光栅结构彩色滤光片，主要由基板、黑色矩阵、彩色滤光层、保护膜和ITO导电膜组成，在所述基板上覆盖有介质膜层，该介质膜材料的折射率大于1.65，所述彩色滤光层为亚微米埋入式光栅结构，光栅由金属层和低折射率介质层构成，所述金属层位于近基板侧，所述低折射率介质层位于远离基板侧，介质材料的折射率小于1.65；通过不同的光栅结构参数获得不同颜色的光栅单元。
上述技术方案中，所述基板可以由石英(玻璃基板)、透明PMMA、PC或PET薄膜制成，基材厚度10um～100um；彩色滤光层应满足彩色滤光片颜色层的厚度要求，通过改变光栅结构参数获得红、绿、蓝三色光的输出。
上述技术方案中，所述金属光栅的材料选自Al、Ag或Au。
上述技术方案中，所述光栅单元包括红色、绿色、蓝色三种颜色单元，对应红色单元的光栅常数为380～450nm，对应绿色单元的光栅常数为300～350nm，对应蓝色单元的光栅常数为200～260nm。
所述光栅的深度为40～250nm。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1.本发明基于亚微米埋入式金属光栅结构，以亚微米埋入式光栅代替颜色单元获得红、绿、蓝三色光输出，其TE、TM偏振光下的透射光谱特性相同，充分利用了TE、TM两种偏振光。
2.本发明提高了光能利用率：现有的基于光栅结构的彩色滤光片的光谱透过率理论值小于60％，而本发明的基于亚微米埋入式光栅结构的彩色滤光片的光谱透过率接近70％，提高了光能利用率。
3.传统的彩色滤光片的输出带宽大于150nm，三种颜色之间存在50nm左右的重叠区域，影响了彩色滤光片的色度，本发明基于级联亚微纳米光栅的彩色滤光片的光谱带宽为80～100nm，减少了各颜色之间的覆盖区域，从而提高输出光的纯度。
4.本发明采用浮雕型光栅结构：与传统光学相比，衍射器件的设计灵活和制作精度高；并且浮雕型结构采用微纳米压印技术能进行超大幅面的制造，便于批量化生产，且便于设计为柔性可控的彩色滤光片。
附图说明
图1是实施例一的彩色滤光片结构示意图；
图2是实施例一中二维亚微米级联光栅结构示意图；
图3是图2的俯视图；
图4是实施例一中金属光栅制作流程示意图；
图5是实施例一中蓝色光透射光谱图；
图6是实施例一中绿色光透射光谱图；
图7是实施例一中红色光透射光谱图；
图8是实施例二中蓝色光透射光谱图；
图9是实施例二中绿色光透射光谱图；
图10是实施例二中红色光透射光谱图；
图11是实施例三中蓝色光透射光谱图；
图12是实施例三中绿色光透射光谱图；
图13是实施例三中红色光透射光谱图；
图14是实施例四中蓝色光透射光谱图；
图15是实施例四中绿色光透射光谱图；
图16是实施例四中红色光透射光谱图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：一种彩色滤光片，结构参见附图1所示，其中00为玻璃基板，01为SiO2膜，02为颜色层，03为保护膜，04为透明导电膜。021、022和023分别为红、绿、蓝三色颜色单元，以不同空频的二维亚微米金属光栅构成。
其中，二维亚微米埋入式金属光栅结构参见附图2和附图3所示：基材10为玻璃、石英、PMMA或PET等透明材料，膜层11为高折射率介质，其折射率大于1.65，光栅区由金属12和低折射率介质13构成，金属12为Au、Al、Ag等材料，介质13的折射率小于1.65，膜层14为低折射率材料，其折射率与介质13相同或相近。
本实施例的埋入式金属光栅的制备过程参见附图4所示，(1)在基材21上依次镀上ZnS薄膜22和Al膜23，将其固定在激光直写设备平台上20上；(2)采用波长为351nm的紫外激光24分别沿水平和垂直方向将膜层23刻穿；(3)通过涂布的方式，在二维光栅上涂布聚丙烯酸酯材料25。
本实施例中，占空比f为0.56，膜层11的厚度为30nm，光栅12的深度为65nm，膜层14厚度为零，光栅周期T为250nm时，透射光谱为波长范围400-500nm范围内的宽带带通滤波输出，透射率最大值为66％，见附图5；周期T为340nm时，透射光谱为波长范围500-600nm范围内的宽带带通滤波输出，透射率最大值为78％，见附图6；周期T为420nm时，透射光谱为波长范围600-700nm范围内的宽带带通滤波输出，透射率最大值为69％，见附图7。
实施例二：参见附图2所示，一种彩色滤光片，结构与实施例一类似，膜层14厚度为零，膜层11的厚度为30nm，光栅12的深度为65nm时，占空比f为0.5，光栅周期为240nm，透射光谱为波长范围400-500nm范围内的宽带带通滤波输出，透射率最大值为70％，见附图8；占空比为0.56，周期T为340nm时，透射光谱为波长范围500-600nm范围内的宽带带通滤波输出，透射率最大值为78％，见附图9；占空比为0.55，周期T为420nm时，透射光谱为波长范围600-700nm范围内的宽带带通滤波输出，透射率最大值为71％，见附图10。
实施例三：一种彩色滤光片，结构参见附图2所示，膜层11为TiO2薄膜和光栅区12为金属Al，膜层14厚度为10nm时，占空比f为0.5，膜层11的厚度为30nm，光栅12的深度为60nm，光栅周期T为240nm时，透射光谱为波长范围400-500nm范围内的宽带带通滤波输出，透射率最大值为68％，见附图11；占空比f为0.55，膜层11的厚度为30nm，光栅12的深度为70nm，光栅周期T为330nm时，透射光谱为波长范围500-600nm范围内的宽带带通滤波输出，透射率最大值为75％，见附图12；占空比f为0.58，膜层11的厚度为50nm，光栅12的深度为70nm，光栅周期T为400nm时，透射光谱为波长范围600-700nm范围内的宽带带通滤波输出，透射率最大值为75％，见附图13；
实施例四：一种彩色滤光片，参见附图2所示，基材10为玻璃，膜层11为ZnS薄膜，光栅区12为金属Al，介质12与介质14皆为MgF2。占空比f为0.55，光栅周期为260nm，膜层11为30nm，光栅12深度为65nm，膜层14厚度为零时，透射光谱为波长范围400-500nm范围内的宽带带通滤波输出，透射率最大值为73％，见附图14；占空比f为0.55，光栅周期为330nm，膜层11为30nm，光栅12深度为65nm，膜层14厚度为20nm时，透射光谱为波长范围500-600nm范围内的宽带带通滤波输出，透射率最大值为78％，见附图15；占空比f为0.6，光栅周期为390nm，膜层11为40nm，光栅12深度为80nm，膜层14厚度为10nm时，透射光谱为波长范围600-700nm范围内的宽带带通滤波输出，透射率最大值为68％，见附图16。
Claims (4)
1.一种光栅结构彩色滤光片，主要由基板、黑色矩阵、彩色滤光层、保护膜和ITO导电膜组成，其特征在于：在所述基板上覆盖有介质膜层，该介质膜材料的折射率大于1.65，所述彩色滤光层为亚微米埋入式光栅结构，光栅由金属层和低折射率介质层构成，所述金属层位于近基板侧，所述低折射率介质层位于远离基板侧，介质材料的折射率小于1.65；通过不同的光栅结构参数获得不同颜色的光栅单元。
2.根据权利要求1所述的光栅结构彩色滤光片，其特征在于：所述金属层的材料选自Al、Ag或Au。
3.根据权利要求1所述的光栅结构彩色滤光片，其特征在于：所述光栅单元包括红色、绿色、蓝色三种颜色单元，对应红色单元的光栅常数为380～450nm，对应绿色单元的光栅常数为300～350nm，对应蓝色单元的光栅常数为200～260nm。
4.根据权利要求1所述的光栅结构彩色滤光片，其特征在于：所述光栅的深度为40～250nm。
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